电子万能试验机测试系统设计.docx

摘 要电子万能材料试验机是专门针对高等院校、科研院所而设计的新一代单空间微机控制万能试验机。电子万能材料试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的机电设备之一。它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构强度以及材料与构件内外表面缺陷。电子万能材料试验机测控系统主要由数据采集系统单元、交流伺服系统单元、基于单片机的主测控器（下位机）以及微型计算机和配套软件（上位机）组成。本文主要设计了测控系统的测试部分、数据采集系统单元。主要包括测控系统总体结构，基于单片机的主控制器，数据采集系统模块，A/D转换器与单片机的接口，力、变形和位移测试的电路，测试软件的部分等设计。实现电子万能材料试验机测控系统的整体设计。最后对测试系统进行了调试。关键词 ：试验机； 单片机 数据采集系统； 测试系统调试的温湿度控制系统 ABSTRACT Electronic universal testing machine is one of the electrical and mechanical equipment used to detect an important material properties, it is used in material production and quality supervision departments at all levels of the enterprise. It can make detection and analysis in a variety of environments and state simulation of mechanical properties of materials, structural vibration capability, process performance, quality defects and balancing internal and external rotation performance materials and component parts. Data acquisition system, the main microcontroller unit and AC servo controller and the corresponding software microcomputer-based monitoring and control systems constitute the main body of the testing machine. This paper mainlydesigns the testingpart,data acquisitionunitand control system.Mainly includes the overallstructure ofcontrol system,the main controller based on MCU,data acquisitionmodule,A/Dconverter and single chipinterfacecircuit,stress,deformation and displacementtest,the designof test software.Achieve the overall design of electronic universal testing machine monitoring and control systems. Finally, the test system to debug.Key words：Testing machine； Single chip microcomputer； Data acquisition system Test system目 录第一章 电子万能试验机测试系统总体设计方案11.1前言11.2 电子万能试验机概述11.3试验机测试系统方案设计5第二章 试验机测控系统硬件设计102.1单片机概述10第三章 试验机数据采集处理系统硬件设计153.1数据采集处理系统的设计153.2 A/D转换器的选择及工作原理233.3 A/D转换器与单片机的接口25第四章 试验机数据采集处理系统软件设计264.1数据采集处理系统软件设计26第五章 试验机数据采集处理系统测试295.1引伸计校准测试数据分析295.2金属拉伸试验测试30参考文献32谢 词33第一章 电子万能试验机测试系统总体设计方案1.1前言电子万能材料试验机是用来测定材料各种力学性能、工艺性能、结构强度等特性的仪器设备。试验机是属于技术密集性的精密测试仪器，它涉及到机械、电气、液压、高温、低温、真空、光学、电子、材料、工艺、测量、测控等许多新技术与高技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、遥控、数显、数控、激光、机电一体化以及电子计算机等技术，成为仪器仪表行业中具有多学科、多种技术特点的一类测试计量仪器。试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的设备之一。在各类材料的产品质量检测、生产过程质量测控、材料科学研究和教学试验中都必须应用试验机来进行材料的力学性能测试。它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构抗振强度、各种旋转件的动平衡性以及材料与构件内外表面缺陷。1.2 电子万能试验机概述1.2.1试验机测试系统简述材料试验机测试系统其实就是一套自动检测系统，能按照国家标准对试验材料的各项规定，在对标准试样进行加载直至完全破坏的整个过程中，依据制定的各项参数并能够按照给定的各项数值进行测控的系统，在该系统的测控之下，试验机的动横梁、强电、弱电等各个部分能够协调有序、相互配合的工作，从而形成了一个有机统一的整体，使得万能试验机的各项试验功能都得以准确的实现，并对试验过程中的负荷和试样的形变量等重要的试验实时数据进行记录，依照数据对材料要求试验的各项力学性能指标进行分析计算。万能试验机的测控系统也可以成为操作者与试验机之间的接口,既能使操作者对机器进行简单的操作，同时也能对机器的各种运行状态进行记录，方便及时地向操作者反馈，还可以对操作中出现的各种错误给出原因，对不正常的运行状态及不正当的操作提出报警，而且为操作员提供数据的各项分析计算、图形的显示和各种参考数据的编辑、储存和输入输出等功能。试验机的测控系统是由硬件部分和软件部分通过有机结合而组成的一个整体。测控系统的硬件部分主要包括：单片机控制器、外部设备、输入输出设备、PC微机。从而硬件部分就构成了万能试验机测控系统的实体部分,但如果想要完成对被控对象的测控作用还要为实体部分提供软件系统,万能试验机的软件部分通常由系统软件与应用软件两部分组成。其中，系统软件由操作系统、语言处理系统和例行服务程序组成。应用软件则是为了满足那些需要由测控系统的专门设计人员开发的特定程序，其核心部分是过程控制程序。 1.2.2试验机测量参数分析为了绘制被测材料的力形变图或应力应变图，需要对材料在每个时间段的受力大小、式样的形变量或应力大小、应变量进行测量。通过材料力学的知识可得： （1-1） （1-2） （1-3） (1-4)其中F为加载在试验材料上的外力，A则为试验材料的横截面积，L0为式样变形前的固定长度，L为式样变形后的长度示值，B为拉伸实验材料在宽度方向上的示值。其中L0和B可以直接进行输入，而F和L则需要进行实时动态检测。通过前面对万能试验机的工作原理分析可知，为了测量出加载在试验材料上的力，即要测量出荷载值F可以由高精度应变式负荷传感器实现，而在此荷载值的作用下所引起的形变量，可以由电子引伸计对变形前后试验材料长度的绝对差值L进行测量。实际测量出的参数为拉力变形图或应力应变图，如图1.1所示。图1-1 应力-应变曲线图如前面所述，因为需要测量出试验材料的应力与应变，将式(1-4)代入式(1-1)，可得 （1-5）而在实际中，当试验材料被拉伸（压缩）时，试样的横截面积会变小（变大），即会发生形变，但当应力没有超过比例极限时，试验材料的横向应变示值与轴向应变示值之比的绝对值会是一个常数，但是若杆件轴向伸长时横向会缩小，而轴向缩短时横向会增大，所以符号总是相反的，即: (1-6)其中为横向变形系数（泊松比），是一个没有量纲的量。 若假设试验材料在进行拉伸试验前宽度方向的示值是B0，B0可以在试验前由测量工具直接测出。由 (1-7)而只考虑拉伸时: (1-8)则: (1-9)整理后，得: (1-10) (1-11) (1-12)显然，只需F和L这两个变量的输入，就可以测试出应力、应变。1.2.3试验机的组成及工作原理电子万能试验机的结构由机械部分和电子测控部分两个部分组成，机械部分是材料试验机工作的主要载体，而测控部分则是主要的核心部分，控制着整个试验机的运作和测量试验，整个试验机的性能由测控系统性能的好坏决定。电子万能试验机的实物图如图1-2所示。 图 1-2 电子万能试验机实物图 电子万能试验机测控系统主要包括交流电机、伺服驱动系统、控制主板、显示屏等部分，能够对整个系统进行控制，并能对力及位移数据进行采集、处理，并能进行显示。测控系统的工作过程为：力传感器受外力负载后会输出一个正比于负载的微小信号，该信号途中不经任何中间环节，直接输入到A/D转换器进行信号放大、转换，再输入到单片机，单片机进行信号处理，数字滤波后以直读的方式显示。试验材料所承受的荷载直接由数字进行显示。位移闭环控制和位移测量则由编码器负责，其中光电编码器主要是实现位置与电信号转换，通过拖动电机转动，光电编码器能将角位移转换成直线的位移，而输出的脉冲数与编码器的角位移的比值为常数。因此只要能对脉冲数进行识别从而就可以知道直线位移的大小，光电编码器输出的脉冲信号先经过整形电路的整形然后再输入给计算机，计算机用软件的方法对接收到的脉冲信号进行计数、处理及方向的识别，最后显示器对接收到的结果进行显示。单片机在控制器内的作用是进行数字控制，将输入接收到的反馈信号直接转换为数字脉冲信号，从而实现对控制参数的数字化，再由管理模块产生PWM信号，经过隔离、放大等处理对电机进行驱动，实现对交流电机的启动、调速、停止等操作。电子万能试验机的原理图如图1-3所示。 图 1-3 电子万能试验机原理图1.3试验机测试系统方案设计1.3.1试验机测试系统方案论证目前，试验机测控系统的设计方案主要有两种:一种是通过采用单片机技术为核心的设计方案，另一种则是以现代通用的PC微机技术为核心的技术改造方案。本测控系统的设计方案主要是采用第一种设计方案，即采用现代嵌入式单片机的结构，综合使用微电子技术，使其外形虽然紧凑但还是具有完整的一系列的计算机功能，该系统使用简洁方便、并且功能齐全。单片机内集成化较高，反应迅速，能够很好的满足测试系统的检测精度及功能要求。测控系统总体结构图如图1-4所示。图1-4 测控系统结构图 该测控系统以单片机作为控制核心，主要实现的是：对力的加载及控制，试验材料测试数据的采集、处理、分析和计算，测试数据的储存和LCD会实时显示出应力应变曲线图。本测试重点主要是对传统试验机测量精度较低，对加载速率无法进行定量的测试控制，并且传统系统缺乏实时性，对于曲线的绘制较单一，且自动化程度较差，测试系统效率较低等不足，对万能试验机的控测控统进行设计改造。该测控系统主要由单片机模块，传感器模块，数据的采集、处理模块以及LCD显示模块等组成。先利用单片机模块对加载机构进行加载，然后，利用传感器模块将获得的应力和应变的等信号输送到数据的采集、处理模块，对获得的数据进行处理、分析和计算。最后，将处理完的数据采用应力应变曲线图的方式在LCD显示器上进行显示，并存储在计算机中。改造后的电子万能试验机具有系统精准，自动化程度高，能够对获得的数据进行实时的显示和存储功能，且整体的性能比较完善，并且造价低等优点。1.3.2系统组成单元方案设计电子万能试验机测控系统主要有交流伺服系统单元、数据采集模块、单片机主测控器、人机交互式测控、上位PC机五部分组成。测控系统工作原理图如图1-5所示。图1-5 测控系统工作原理图1、交流伺服系统：该系统是万能试验机的核心部分。传统的材料试验机是采用直流电做动力，其最大的缺陷是非常容易损坏，需要经常维护，而且在大转矩下的工作稳定性比较差，而现在的交流伺服电机的伺服驱动系统完善，不采用电刷，几乎不需要进行维修，而且在小转矩的情况下定位精度高，测量数据精准，在不丢失脉冲的情况下可以达到0.01mm的精度，这是直流电机所不能达到的。2、数据采集模块：对于本次电子万能试验机的设计，所配置得应变电测式传感器，此传感器通常有三种：一是用于测试力示值的拉压力传感器或测力传感器；二是可以测定试验材料变形量的变形传感器；三是可以测定机器的动横梁移动量的位移传感器。本设计主要针对拉力、压力、伸长量数据的采集，因此，采用了拉压力传感器。3、单片机主测控器: 单片机主测控器是采用MCS-51系列的80C51单片机，外围扩展存储器模块，液晶显示器(LCD)和键盘作为人机交互接口设备，数据通信接口等。主测控器通过串口，以太网等与上位PC机进行通讯或者构成计算机网络系统。主测控器主要负责接受系统测量信号并进行处理、显示，同时伺服系统测控算法由单片机芯片软件编程实现。此外，试验机运行的状态、测控面板上的按钮状态等，则通过开关量的数字输入，由单片机主测控器来进行判断、检测并做出相应的反应。4、人机交互式测控：该测控软件可以直接同测控部分进行通讯，主要目的是创造人机友好的交互式界面，为满足现在对机器越来越简洁的要求。5、上位PC机:上位PC机按软件工程理论分析电子万能试验机的测控功能的实现，然后进行模块化、结构化的软件设计，目标是使软件具有人机界面友好、功能易扩充及易维护的优点。1.3.3试验机的技术参数 1、最大试验力 100KN、50KN、20KN。 2、负荷测量衰减倍率：1、5、10。 3、负荷测量精度：各量程内起均为示值的 4、变形测量：测量范围为传感器容量的。 测量精度为指示值的示值分辨率为，显示单位为。 引伸计标距可按25、100系列选择，测量范围可按标距的选择。 匀试验力变形速率控制范围：0.01-10%FS/s 匀试验力变形速率控制误差:小于0.05%FS为2%;大于 0.05%FS为0.5% 恒试验力变形速率控制范围：0.5-100%FS 恒试验力变形速率控制误差：小于10FS时为1%；大于10%FS时为0.1% 动横梁位移测量：测量范围为， 动横梁位移测量精度为数字显示，示值分辨率，位移零点任意设定。5、记录方式：负荷变形、负荷位移6、工作环境：温度在2010范围内；相对湿度不大于，表面无结露；无冲击、无振动的环境； 在固定的基础上水平安装，水平度应不超过；系统接地阻抗。试验空间宽度： 活动横梁行程： 7、主机约重： 8、工作电源：交流，总功率第2章 试验机测控系统硬件设计2.1单片机概述2.1.1单片机的介绍 单片机是一个集成在一块芯片上有完整计算机系统的控制器。虽然单片机的大部分功能都集成在一块小芯片上，但是它却具有一个完整计算机系统应具备的主要部件：中央处理器、内存储器、内部与外部的总线系统，目前部分单片机还具有外存功能。同时集成例如通讯接口、定时器，时钟等很多外围的设备。而现在功能最强大的单片机系统甚至可以将音频、图片、网络连接等复杂的输入输出系统都集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），这是因为单片机最早被用于工业机器控制领域。单片机由一块芯片内仅有一个中央处理器的专用处理器发展到现在的复杂系统。早期单片机的设计理念只是通过将大量外围设备与中央处理器集成到一块芯片中，使运用到对体积要求严格的控制设备的计算机系统更小，更容易集成。现在的单片机与一般微型计算机进行比较，具有以下特点：1、系统结构比较简单，使用较方便，能够实现模块化。2、单片机的可靠性较高，可工作到小时无障碍。3、处理功能较强，速度快，具有很强的逻辑操作的功能。4、对于测控系统的功能较强。5、环境适应能力也较强。2.1.2单片机的选择 单片机测控系统的设计，对于单片机的选择是一个重要的环节。只有选择了合适的单片机才能够进一步对其外围电路进行设计。单片机的选择应根据实际要求来确定，在满足设计要求的基础上简化设计难度并能够节约成本。在选择单片机是应注意考虑的因素有：单片机的性能、I/O口、定时器、计数器、存储器、单片机的运算速度、工作电压与功能消耗及抗干扰性等。综上所述的特点要求，结合实际情况，MCS-51单片机符合本测控系统的性能要求。MCS_51系列的单片机是INTEL公司在以前单片机的基础上推出的一系列高性能8位单片机。它基本上可以满足用户的一系列要求，是工业工程测控、数控机床测控及通讯系统优先选择的机种、在此设计中选用了MSC-80C51单片机。2.1.3单片机的结构MSC-80C51单片机的结构主要包含四部分组成：中央处理器，存储器，I/O口及定时器和计数器。单片机存储器结构将数据存储器及程序存储器的寻址空间分开，所以单片机的存储器在物理上有四个相互独立的存储空间：内程序存储器，外程序存储器，内数据存储器，外数据存储器。对于单片机的中央处理器CPU，它是由两部分组成：控制器及运算器，作为80C51单片机的核心组成部分，其在单片机的运行中占很大的比重，有面向测试系统的8位CPU。 1、运算器：运算器由五部分组成，包含作为核心的算术逻辑单元ALU，累加器A、B形式的寄存器，为程序状态的寄存器PAW以及TMP1和TMP2这两个8位暂存器组成。其可以运行的算术运算包括：加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整、比较运算；也可以进行与或非、异或等逻辑运算； 还能进行判断和程序转移、循环移位等控制指令。 2、控制器：指令寄存器、PC程序计数器、振荡器、指令译码器、定时电路和控制电路等部件组成了控制器；它能控制单片机各部分工作是通过不同的指令产生相应的操作时序和控制信号来完成的；PC控制着单片机执行相应那条指令。 3、存储器（1）片内ROM是程序存储器。（2）片内RAM具有的功能包括：存放输入、输出和中间计算结果的数据，也可作为数据堆栈区使用。 4、I/O口（1）并行口：有4个8位并行I/O口P0P3，这四个并行I/O口均可并行输入输出8位数据。（2）串行口：有1个串行I/O口，用于数据的串行输入输出。 5、定时器/计数器（1）定时脉冲用于单片机的定时控制。（2）用于计数方式，记录外部事件的脉冲个数。 80C51单片机的结构组成框图如图2-1所示。图2-1 80C51单片机的结构框图2.1.4 80C51单片机引脚及其功能80C51单片机的引脚组成如下所示图2-2 单片机引脚 各引脚说明如下： （1）电源引脚（2个） VCC：接+5V电源 VSS：接地端 （2）外接晶体引脚（2个） XTAL1：外接晶振输入端 XTAL2：外接晶振输入端 （3）并行输入输出引脚 P0.0P0.7：通用I/O引脚； 此外可以作为数据低8位地址总线复用引脚来用； P1.0P1.7：通用I/O引脚 P2.0P2.7：通用I/O引脚； 此外可以作为高8位地址总线复用引脚； P3.0P3.7：通用I/O引脚； 此外可以作为第二功能引脚； （4）控制引脚（4个） RST/VPD：复位信号输入引脚； 也可作为备用电源输入引脚； ALE：地址锁存允许信号输出引脚； 也可作为编程脉冲输入引脚； VPP：内外存储器选择引脚； 也可作为片内EPROM编程电压输入引脚；2.1.5试验机的测控系统硬件设计 电子万能试验机的测控系统电路图如图2-3所示。图2-3 试验机测控系统电路图第三章 试验机数据采集处理系统硬件设计3.1数据采集处理系统的设计3.1.1数据采集处理系统的基本组成 电子万能试验机的数据采集处理模块主要是对测试材料的力、变形量、位移量等物理量进行测量，然后把测量结果送给单片机和PC计算机进行数据处理。首先要根据测量材料物理量的不同选择与其相对应型号的各种传感器，从传感器中输出的电信号则需要进一步的放大、调理，从而将机器或数据不准产生的误差补偿掉，提高抗干扰能力，滤波器的作用则是将信号中不需要出现的频率分量过滤掉。最后再经A/D转换器将输出的模拟信号转换成数字信号，交给单片机和PC计算机进行处理等。数据采集处理系统组成如图3-1所示。 图3-1 数据采集处理系统组成图3.1.2数据采集处理系统主要功能和技术指标1、主要功能：(1)完成对试验机应力、变形、位移的模拟、数字型号的采集和处理。(2)试验曲线图形处理、试验数据智能处理、数据库管理、报告生成、打印。(3)数据采集处理系统自动调零、自动标定、最大试验力连续全程测量部分档。2、技术指标：(1)试验力测试的范围：试验力小于100KN。(2)试验力测量误差：(3)变形测量范围：测量范围为传感器容量的，测量范围为。(4)变形测量误差：指示值的示值分辨率为，显示单位为。(5)位移量程：250。3、数据采集处理和控制部分：主要由数据采集、处理、控制电路、计算机软硬件系统、打印机、手动控制器件等组成，主要完成整个系统的控制、各种参数的设置、显示、试验机过程结果的记录、试验数据的处理、存储、试验结果的输出等功能。4、检测部分：主要有压力传感器、变形传感器、位移传感器、等组成，主要功能检测试验对象的所受的试验力、变形及横梁运动的位移。3.1.3数据采集处理系统设计方案 本测控系统方案的设计基于单片和PC计算机的上下位机测控系统设计方案如图3-2所示。图3-2测控系统设计方案图3.1.4数据采集处理系统硬件设计 本文所设计的试验机数据采集处理系统，试验应力测量采用金属电阻应变式力传感器，变形测量采用电子引伸计，位移测量采用电位计式位移传感器，横梁位移测量采用光编码器。所以，本系统综合考虑设计了五个信息通道，其中三个模拟信号采集通道，两个数字信号采集通道。控制输出可调脉宽的数字脉冲信号。数据采集处理系统硬件结构图如图3-3所示。图3-3 数据采集处理系统硬件结构图1.传感器的选择及工作原理（1）力传感器本设计选用的力传感器采用试验中最常使用的应变计电桥式传感器，此传感器包含弹性元件、电缆线、电阻应变计桥等部分。弹性元件主要是在材料被测物理量的作用下产生与其成正比的应变，然后电阻应变计会将应变转换成电阻的变化，传感器中的各种应变计组成桥路从而将应变引起电阻的变化便于转换成电信号输出，内部的线路则运用常用的惠更斯电桥，其内部电路的主要原理如图3-4所示。当弹性体承受载荷产生形变时，输出的信号电压由(2-1)式给出: (3-1)图3-4 力传感器原理图在电桥式传感器的两端各加上一个电压，则如果应变片R受到应力作用时，电桥传感器的两端就会输出电压，此电压与加在上面的应力成正比。本设计的数据采集处理系统选用德国HBM公司的系列的力传感器，其迟滞及非线性度均为,此数据满足对式样负载测试的高精度要求。较高的保护等级，即使在恶劣的环境下，力传感器依然可以获得可靠且安全的测量结果。内置机械过载保护装置，拉压双向的破坏负载高达额定量程的. 力传感器提供极为优异的线性，蠕变和温度特性。传感器采用的是工字梁型的剪切弹性类的敏感元件，此类元件的好处是当加载点位置发生变化是传感器不会受影响，而且此类元件对于横向力和偏心力有很大的抵抗能力，此类元件结构如图所示。此类元件的腹板部分受到剪切力，其中中间最大的剪切力计算如下：，b为腹板的厚度。此类传感器具有很强的稳定性，同时保证了阻止过载和抵抗横向测力的性能，很大程度上提高了横向和纵向的抗弯能力，从而大大的保证了对于测试的测量精度。传感器的安装比较方便，所以适合各种试验机的安装。对于剪切工字梁式弹性元件的作用原理分析：在剪切弹性元件受力作用后，并不是测量正应力，而是测量剪切力产生的切应力。如果要测量切应力本身是测量不出的，主要在于切应力可以引起拉伸应力与压缩应力，也就是能产生与工字梁的中心轴线成45度角并且互相垂直的主应力。对于工字梁式测力传感器就是将四个应变片分别贴在与中心轴线成45度角并且与工字梁腹板的两段互相垂直的地方，则这四个应变片就组成了全桥。在测试材料受力时，电桥的对角线上与受到的力成正比的输出量，传感器就是应用这一原理对力的大小进行测量。弹性元件图如图3-5所示。图3-5 工字梁式剪切弹性元件图（2）形变引伸计对金属试验材料的拉伸，压缩，弯曲等力学性能的试验分析时，除了对应变和应力的数据有很精准的要求之外，对于应变速率和位移速率也有很大的要求。但这些要求不仅需要传感器完成测试，还需要对试样变形和位移进行测量的传感器，这样才能实现对金属和非金属等各种材料力学性能的测试。变形引伸计是在对试样的测量过程中可以将拉伸变形转换成电压输出的传感器，是精密度较高的一种仪器。在对材料试样进行力学性能的测试时，弹性阶段的变形很小，例如在对金属类的材料进行弹性伸长模量进行测试时，其伸长量常常只有数十微米的增量，在这种情况下就必须用到测量准确度较高的、且放大倍数较大的测试仪器进行测测量。变形引伸计就是这种测量仪器。在测量变形时，引伸计的刀刃会与试样接触，固定装置会固定在试样上，刀刃与试样接触从而感受变形，再通过变形传递杆，弹性元件与变形传递杆连接，所以粘贴在弹性元件上的应变片会感受到应变，从而输出电量，而其在转换，放大处理后，会变换为试验材料的变形量。其结构原理如图3-6所示。图3-6 变形引伸计结构图 变形引伸计的性能测试主要是通过以下指标来完成的： 引伸计的放大倍数：， 。 引伸计标记：对于试验材料在不同位置伸长度发生线变形的记录，是引伸计所做标记之间的距离。， 量程：对于试验材料的变形量及引伸计能测得的最大量值。按照引伸计能放大的倍数进行分类一般分为机械式、电子式的引伸计。本设计采用了电子式引伸计，主要组成元件包括：弹性元件，电阻应变片，变形传递元件等等。对于引伸计的选择，可以根据试验材料的尺寸和形状，对于变形测量准确度的要求来选择与试验机相符合的引伸计。本设计中选用在拉伸和压缩试验中最常用的ZYS-4型引伸计作为测试变形传感器。此引伸计的主要性能指标如下： 1.标距：25/50mm 2.量程：15/20mm 3.线性度：0.05%-0.2%FS 4.最大应变示值误差：0.0001 5.力传感器和引伸计的电路原理图如图3-7所示。图3-7 力传感器和引伸计的电路原理图（3）光电编码器光电编码器如图3-8所示。是一种把位置变化转换为电信号的元件，当电机转动后，编码器的角位移就会被转换为直线位移，其中光电编码器的角位移和其输出的脉冲信号的数量的比值为常数。所以只要知道了脉冲信号的数量就可以知道材料位移的变化多少。经光电编码器处理后输出的脉冲信号，再经过整形电路进行整形后输入给计算机，对于接受到的脉冲信号计算机会用软件中的方法对其进行采集，处理，计数，方向的识别。最后将获得的数据结果送到显示器进行显示。单片机在测控系统中的作用是对其数字进行测试，为实现对测控数据的数字化，单片机对输入的反馈信号会将其转换成数字脉冲信号。事件管理模块接受信号再经过滤，隔离和放大产生能驱动电机的信号，实现对电机的启动、调速、停止等功能。图3-8 光电编码器 旋转编码器的机械安装方式采用以下方式； 对于速度较高的高速端的安装：安装在齿轮连接处，或动力马达电机的转轴端，这种方法的好处是分辨率较高，可知编码器有4100圈，如果马达电机的圈数也在此范围内，就可以充分提高分辨率。但当物体在经过减速齿轮的运动后，在来回的过程中会产生间隙误差，对于测量产生影响，所以一般用单向的高精度测试定位系统。对于直接安装在高速端的编码器，为防止编码器的损坏，一般马达电机的抖动幅度应较小。 对于速度较低的低速端的安装：一般安装在减速齿轮的后面，或减速齿轮最后一节的轴端，这种方法对于经过齿轮的运动物体已经没有了来回的行程，所以测量较直接，而且精度准确度较高，这种方法一般用于测定长距离的定位装置。3.2 A/D转换器的选择及工作原理常采用的A/D转换采集方案如图3-4所示。 图3-9 测控系统的A/D转换器方案图本方案中，ADC0809是采用CMOS工艺的8位逐次逼近型A/D转换器。其工作原理是由芯片内的D/A转换器生成一个模拟电压，并且芯片内比较器将被测模拟输入电压生成的模拟电压进行比较，并按比较的结构去修正片内的D/A转换器输入的数字量，直到比较器量输入端模拟电压相等为止。其内部机构及引脚如图3-5所示。图3-10 ADC0809内部结构及引脚图ADC0809的采样频率为8位，是用逐次逼近的原理对信号进行模-数转换的元件。ADC0809单片机的内部有一个多通道多路的开关，它主要是根据对输入的信号进行地址码锁存然后进行译码，并根据译码的信号选择模拟的通路将其进行A/D转换，然后传输给下一个系统。1.ADC0809单片机的主要特性1）分辨率8位,即8路8位A/D转换器。2）控制端可以进行启动和停止的转换。3）转换时间为4）单个电源进行供电5）模拟输入的电压范围，不需零点的校核及满刻度的校准。6）工作温度范围为7）低功耗，约15mW。2内部结构ADC0809是CMOS单片机形式的逐级逼近式的A/D转换器，它是由8路模拟开关、，比较器、地址锁存， 8位开关型D/A转换器。3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装， 下面说明各引脚功能：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。：是3位地址的输入线，主要用于选通8路模拟输入线中的一路：地址锁存允许输入的信号，输入高电平才有效。START： 是A/D转换器启动脉冲的输入端，输入一个至少100ns宽的正脉冲信号，使其启动时脉冲上升沿儿使ADC0809复位，下降沿儿启动时A/D转换信号输出。EOC： A/D转换器结束信号输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。VCC：电源，单一5V。GND：接地。3.3 A/D转换器与单片机的接口 A/D接口用来实现转换器芯片的启动转换、转换结束及数据输出的引脚与单片机构造总线的连接。一般有直接连接方法和间接连接方法两种，ADC0809与单片机一般采用直接连接法。其接口电路如图3-11所示。图3-11 A/D转换器和单片机的接口线路图第4章 试验机数据采集处理系统软件设计4.1数据采集处理系统软件设计 利用计算机丰富的软硬资源，本文数据采集处理系统的设计实现了试验参数的界面设置；试验数据的实时采集、存储、显示；试验曲线的自动生成和实时显示；试验数据的智能处理和报告生成；数据库管理等功能。数据采集处理软件系统流程如图4-1所示。主要包括：数据采集、数据处理、通道校正、参数设置、试验曲线图形处理、数据库管理、试验分析报告生成七个主要功能模块。其主测试界面如图4-2所示。 图4-1 数字采集软件流程图图4-2 试验机主测试界面图4.1.1 系统软件开发平台和工具选择对于硬件的考虑，由于对试验机的精度和控制速度要求较高，而试验机数据的采集量较大，为满足基本要求，所以通常选择PentiunIII以上CPU，64MRAM的PC机。而在软件方面，为满足对于软件的高要求，通常采用Microsoft公司设计的Windows2000系统作为软件系统的平台，作为一个优秀的操作系统，Windows为系统提供了丰富的软件开发，是一种能够可以实现数据交换，存储管理的工具，同时实现对数据采集模块的链接的一种程序设计技术。Windows对于软件支持直接插上就可以运用的技术，所以对于硬件的安装提供了很大的便利，同时更加方便硬件的故障排除。将硬件设备直接与计算机安装就可以完成对系统的检测，此软件还可以对系统和硬件实现自动检测，实现对硬件的配对安装，获得相应的软件程序。对于应用软件的开发，选择的是高品质，高性能的开发工具，所以在本设计中选用的是Visual Basic6.0。此软件是在Windows环境下可以正常运行的一种开发工具，作为一种应用型程序，它具有良好的性能，而且组件丰富，可以生成高效的应用程序，作为可编程语言的先导，此开发工具有很强的数据库开发能力，同时可以对Windows2000进行很好的支持，使其可以在正常的环境下进行运行，能更好的实现对函数和DLL文件的调用，为设备的实时控制做铺垫。4.1.2 测试曲线图处理模块本设计显示界面布局合理大方，且采用的软件使用模块化设计，操作简单，方便操作者，且运行安全，数据处理准确，高效化，不仅对各种拉伸试验，压缩试验，弯曲试验的结果都会做出曲线分析，对于各种破坏性试验和非破坏性试验也符合标准的试验要求，各种阶段都有显示。在试验过程中可以实现对曲线类型的切换，且可以自动调整坐标，对多条曲线实现同时显示，同步显示实验结果，并可对其进行改正。试验过程和试验结果实现了直观显示。曲线可以实现自由缩放，同时光标可以跟踪采样点，并实时显示相对应点的坐标值。第五章 试验机数据采集处理系统测试5.1引伸计校准测试数据分析本数据采集系统在联机测试中，参照的规范为JJF1096-2002引伸计标定器的校准规范，JJG762-1992引伸计检定量程，并采用金属材料试验的引伸计标定规程，可以对0.5级的引伸计标定仪进行标定，对引伸计校准测试的范围为标距500mm，量程10mm。环境范围要求较高，环境温度T= ，湿度为57%，对于测试点的取定为在10mm的量程之间去16个测试点。测试结果见表5-1表5-1引伸计表校准测试值5.2金属拉伸试验测试 拉力试验曲线表示试验材料在外载荷的作用下试样受力与时间的关系，从图中可以看出试验过程为弹性变形，屈服变形，断裂变形，断裂四个阶段，在弹性变形与断裂阶段，试验材料的曲线近似于直线；而在屈服变形与断裂变形阶段，试验材料的曲线近似于二次曲线。同时设计时为保证实验结果的可靠性，对测量信号进行标定，经A/D转换器进行数据采集，将数据及固有测量信号同时采集到计算机，以固有测量信号作为参考信号，对结果进行线性回归分析，找出信号的数学模型。在数据分析阶段，对于弹性变形及断裂阶段，可以用一元一次方程对其进行拟合分析；而对于屈服变形和断裂变形阶段，可以采用一元二次方程对其进行拟合分析。低碳钢试样拉伸试验的曲线图，如图5-1与图5-2所示。图5-1 低碳钢拉伸曲线计算机显示图图5-2 低碳钢拉伸试验力-变形曲线图 低碳钢试样在拉伸试验中表现出较为典型的变形-抗力之间的关系，在力-延伸曲线”中可以看到明显的四个阶段： 1.弹性阶段：这一段试样发生完全弹性变形，应变和应力存在着线性关系，当载荷完全卸除，试样恢复原样；2. 屈服阶段：这一阶段试样明显增长，但载荷增量较小并出现上下波动，若略去这种载荷读数的微小波动，屈服阶段在力-延伸曲线”上可以用水平线段表示；3. 强化阶段：由于材料在塑性变形过程中发生加工硬化，这一阶段试样在继续伸长的过程中，抗力也不断增加，表现为曲线非比例上升； 4.颈缩阶段和断裂：试样伸长到一定程度之后，载荷读数开始下降，此时可以看到在试样的某一部位的横截面面积显著收缩，出现颈缩现象，直到试样被拉断。 试验一般在室温1030的温度范围内进行，若对温度有严格要求，则温度应控制在235范围内。 参考文献1郑明新.工程材料M清华大学出版社,1991.2高安邦.机电一体化系统实用设计案例精选.中国电力出版社,2010,6.3王清珍.单片机原理及应用.重庆大学出版社,2004,3.4尹雁.电子万能试验机的微机控制J机械工程师,2000,6)38-40.5杨宝亮.基于DSP的电子万能材料试验机测控系统研究.山东理工大学硕士学位论文.2007.4.6曹用涛.金属力学性能测试进展Z理化检验-物理分册,1994,5)22-25.7林际熙.金属力学性能检验人员培训教材Z冶金工业出版社,1999.8中国仪器仪表学会试验机学会编,试验机学会第二届学术年会论文集 1988.9田克俊.电子万能材料试验机测控系统的开发研究D华中科技大学硕士学位 论文,2002.3.10万文略.单片机原理即应用.重庆大学出版社.2004.311章跃.机械制造专业英语.机械工业出版社.201212陈瑞阳.工业自动化控制系统设计流程. 机械工业出版社.200913舒志兵.交流伺服运动控制系统. 清华大学出版社.201014倪云峰.单片机原理与应用. 西安电子科技大学出版社.201215黄志明.高精度电子万能材料试验机测控系统及其关键技术的研究D华东理工大学硕士学位论 文,2005.6.16 Astrom KJ Hagglund T.PID Controllers Theory Design and Tuning M Instrument Society of America.1995.谢 词 在此毕业设计即将完成之际，回顾毕业设计的创造过程，我收获颇深，指导教师的敬业爱业精神及渊博的知识给我留下了深刻的印象。学无止境，导师用他终身学习精神告诉了我这个道理。毕业设计不仅是对以前学过知识的检验，更是对学习态度是一种磨练，在完成毕业设计的过程中，在我迷茫时有老师的认真讲解，在我查阅资料烦闷时有同学的耐心陪伴，对于毕业设计的顺利完成得益于老师和同学的帮助，在此对所有帮助我的老师和同学致以衷心的感谢，使我可以顺利完成毕业设计，不仅在各个方面都得到了锻炼，还收获了人生中重要的体会。老师在整个毕业设计中对我的指导和帮助，是我能完成毕业设计的基础，在老师那里我学到了很多知识，提高查阅资料，阅读书籍的能力，同时培养了独立思考问题的能力。老师在我对毕业设计一筹莫展时，开拓了我的思路，同时在老师的耐心指导下，我积累了很多经验，受益匪浅。在此对所有帮助过我的老师们表达我深深的谢意，是他们让我收获了更多的知识。最后感谢父母让我可以收获知识，认识世界，感谢他们对我付出的所以的爱，人生中最爱护自己的莫过于父母，感激之情溢于言表。天津工业大学应用技术、继续教育学院毕业论文（设计）指导记录班级15机械姓名 刘伟学号1552912108论文题目 电子万能试验机测试系统设计指导教师姓名马永顺职称副教授第一次指导要点：提交毕业设计提纲，确定电子万能试验机测试系统设计的写作内容，还需要严谨。导师签名： 马永顺 1月30日第二次指导要点：交来初稿，主要数据基本可靠，文字尚通顺。导师签名：马永顺 2月20日第三次指导要点：第二次交稿，调整文章结构，使文章进一步详略得当。导师签名：马永顺 3月9日第四次指导要点：第三次交稿，一些细节内容设置不大恰当，论据不充分,需要进行改动。导师签名： 马永顺 3月20日第五次指导要点：第四次交稿，上述问题已基本解决，修改并准备定稿。学生态度认真，写作积极。导师签名： 马永顺 3月30日备注（1） 指导教师面对面指导学生不少于五次，每次均需填写记录；如超过五次请再另职一张表。（2） 最后一次指导要写出最后评语，包括学生的态度及表现。本科毕业设计（论文）中期检查表题目 电子万能试验机测试系统设计学生姓名 刘伟学生班级15机械指导教师填写任务书下达时间1月20日学生调研及查阅文献情况较好毕业设计（论文）原计划有无调整无学生是否按计划执行工作进度是学生是否能独立完成工作任务是学生的出勤情况及出勤考核办法较好学生接受指导的次数及时间5次毕业设计（论文）指导记录是否齐全齐全学生的工作态度在相应选项划“” 认真一般较差尚存在的问题及采取的措施： 尚没有问题存在指导教师签字： 马永顺 2017年 3月16日系（教研室）意见： 负责人签字：附表6天津工业大学毕业设计（论文）答辩记录表 继续教育 学院 机械设计制造及其自动化 专业 2015 年级 学生 刘伟 课题名称 电子万能试验机测试系统设计答辩委员会主席（或组长）王建明职 称副教授答辩委员会秘 书蔡世涛答辩委员会成 员孙小东 刘辉 王建明 蔡世涛 答辩记录（包含答辩委员提出的问题，学生回答情况等） 答辩委员会秘书（签字）： 蔡世涛2017年 5 月 22 日